變橫截面駐波超聲反應器的製作方法

2023-05-29 04:16:06

專利名稱：變橫截面駐波超聲反應器的製作方法
技術領域：
本發明的變橫截面駐波超聲反應器，涉及一種利用超聲空化效應處理液體的裝置。
背景技術：
超聲反應器利用超聲空化效應所產生的局部高溫高壓( 5000K、 2000atm)對 液體如水進行處理。超聲反應器系統在結構上包括箱體、箱體中的被處理液體、對被處理 液體施加超聲波的超聲換能器、以及超聲換能器的驅動電路。它在飲用水消毒殺菌、飲用 水中致癌物質的分解、廢水的消毒殺菌、廢水中有機物的分解、化學合成和結晶過程的物理 催化、發酵過程的加速、生物質氣體和液體燃料的生產等方面有著巨大的應用前景。現有 的超聲反應器的工作原理，如參考文獻(T. J. Mason, J. P. Lorimer, AppliedSonochemistry, ffiley-VCH, ffeinheim, 2002)所述，主要是利用被處理液體中駐波超聲場來引起聲空化效 應。採用這種方式其超聲場的聲壓幅值在空間上不均勻，存在著聲壓節面和反節面。在聲 壓節面上聲壓幅值為零，而在聲壓反節面上聲壓幅值為最大。由於這個原因，會出現聲壓反 節面附近的液體被過度地聲處理、聲壓節面附近的液體不能被充分處理的現象。這會導致 聲處理的不均勻和聲能利用率低的問題。

發明內容
為了克服現有超聲反應器的聲處理不均勻和聲能利用率低的問題，本發明專利提 供新的超聲反應器，該超聲反應器利用相對均勻的超聲場對其中的液體進行聲處理，以提 高聲反應器聲處理的均勻性和聲反應器中聲能的利用率。第一種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體、安裝 於箱體第二壁面的超聲換能器，箱體上作為反射壁面的第一壁面與超聲換能器的聲輻射面 之間的距離是四分之一波長的奇數倍，箱體底面為彎曲摺疊形或波浪形；上述箱體底面的 彎曲摺疊形或波浪形使得箱體底面和液面之間的距離隨離開聲輻射面的距離作周期性變 化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置，箱體底面和液面之間的距離為最小值；其中距離 聲輻射面(2m+l)c/(4f)的位置，箱體底面和液面之間的距離為最大值；其中m為大於等於 O的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率。第二種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體、安裝 於箱體第二壁面的超聲換能器，箱體上作為反射壁面的第一壁面與超聲換能器的聲輻射面 之間的距離是四分之一波長的奇數倍，箱體底面和箱體頂面均為彎曲摺疊形或波浪形，被 處理的液體充滿超聲反應器箱體；上述箱體底面和箱體頂面的形狀使得箱體底面和頂面之 間的距離隨離開聲輻射面的距離作周期性變化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置，箱體 底面和頂面之間的距離為最小值；其中距離聲輻射面(2m+l)c/(4f)的位置，箱體底面和液 面之間的距離為最大值；其中m為大於等於O的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲 換能器的工作頻率。
第三種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體、安裝 於箱體底面的超聲換能器，箱體上作為反射壁面的液面或頂面與超聲換能器的聲輻射面之 間的距離是二分之一波長的奇數倍，兩組相對壁面中至少一組相對壁面中的至少一個箱體 壁面為彎曲摺疊形或波浪形；上述箱體壁面的彎曲摺疊形或波浪形使得該組相對壁面之間 的距離隨離開聲輻射面的距離作周期性變化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置相對壁 面之間的距離為最小值；其中距離聲輻射面(2m+l)c/(4f)的位置，相對壁面之間的距離為 最大值；其中m為大於等於0的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲換能器的工作頻 率。上述的駐波型超聲反應器利用浸入式平板超聲換能器，或具有平板輻射面的插入式朗之文(Langevin)超聲換能器。駐波超聲反應器中駐波聲場的橫截面積隨橫截面位置做周期性變化，在聲壓幅值 為零的位置(聲壓節面)即距離聲輻射面m c/(2f)其中111 = 0，1，2，3...，(3是被處理液 體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率的位置，聲場的橫截面為最小；在聲壓幅值為最大的 位置(聲壓反節面)即距離聲輻射面(2m+l)c/(4f)其中111 = 0，1，2，3...，(3是被處理液 體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率的位置上，聲場的橫截面為最大。在相鄰的聲壓節 面和反節面之間，聲場的橫截面積線性或非線性地從最小過度到最大。採用上述三種形式 的箱體結構，使得聲壓反節面附近的液體體積會大於聲壓節面附近的液體體積。由此提高 聲反應器中聲場能量的利用率和聲處理的均勻性。超聲反應器在聲處理均勻性和聲能利用率方面的性能可用聲場的不均勻性指數 NUl來表示
1 \\\[ {Pa-PamYdV _0] NU 丄 --(χ)
Pam\ vO其中Pa是場點的聲壓幅值，Pam是Pa的空間平均值，Vtl是聲場的體積。聲場的不均 勻性指數NU1越小，超聲反應器在聲處理均勻性和聲能利用率方面的性能就越好。傳統的 駐波型超聲反應器的NU1是0.447.有限元理論計算(C0MS0L MULTIPHYSIC5)表明本發明 專利可以把NU1指數減少到0. 2。


圖1 實施例1的變橫截面駐波超聲反應器的結構圖；其中圖1 (a)是超聲反應器 的剖面圖，圖1(b)是超聲反應器的俯視圖。圖2 實施例2的超交橫截面駐波超聲反應器的結構圖；其中圖2(a)是超聲反應 器的剖面圖，圖2(b)是超聲反應器的俯視圖。圖中標號名稱1、箱體，2、被處理液體，3、液面，4、改進型的駐波聲場，5、箱體底 面，6、第一壁面，7、第二壁面，8、聲壓反節面，9、聲壓的節面，10、超聲換能器，11、聲輻射面， 12、箱體頂面。
具體實施方案實施例一的變橫截面駐波超聲反應器如圖1所示。
具有彎曲平板底面的超聲反應器長方形金屬箱體中裝有被處理的水2。超聲換能 器10採用浸入式平板超聲換能器，被固定在箱體的第二壁面7上。聲輻射面11和與其相 對的反射壁面即第一壁面6之間的距離是四分之一波長的奇數倍，因此聲反應器工作時在 聲輻射面U和第一壁面6之間存在著一駐波聲場。浸入式平板超聲換能器的尺寸是30cm (高)X 12cm (寬)X Icm (厚)，工作頻率f 是20kHz，工作電壓是65Vrms。長方形金屬箱體的長是10. 375cm，寬是13cm。彎曲平板底面 和液面3之間的距離h隨離開聲輻射面的距離而周期性地變化。在離開聲輻射面1. 875cm, 5. 625cm和9. 375cm的位置上，h等於其最大值45cm ；在離開聲輻射面0cm，3. 75cm和7. 5cm 的位置上，h等於其最小值30cm。本實施例中，根據有限元計算(C0MS0L MULTIPHYSICS)，超聲場的不均勻性指數 NU1的理論值為0. 2，遠小於傳統的駐波型超聲反應器的NU1 ( = 0. 447)。在有限元計算中， 利用該軟體聲學模塊中的諧波分析功能(Harmonics Analyses, Acoustics Module)；聲場 的吸收係數為1.0X10_5l/m;超聲場被假定為線性場。這表明增加駐波反節面附近的聲場 截面積同時減少駐波節面附近的聲場截面積能有效地提高超聲反應器聲處理的均勻性和 聲能的利用率。實施例二的變橫截面駐波超聲反應器如圖2所示。具有彎曲平板底面和彎曲平板頂面的超聲反應器長方形金屬箱體中裝滿被處理 的水。浸入式平板超聲換能器被固定在箱體的第二壁面7上。聲輻射面11和與其相對的 反射壁面即第一壁面6之間的距離是四分之一波長的奇數倍，因此當聲反應器工作時在聲 輻射面和反射壁面之間存在著一駐波聲場。浸入式平板超聲換能器的尺寸是30cm (高)X 12cm (寬)X Icm (厚)，工作頻率f 是20kHz，工作電壓是65Vrms。長方形金屬箱體的長是10. 375cm，寬是13cm。彎曲平板底 面和頂面之間的距離h隨離開聲輻射面的距離而周期性地變化。在離開聲輻射面1. 875cm, 5. 625cm和9. 375cm的位置上，h等於其最大值60cm ；在離開聲輻射面0cm，3. 75cm和7. 5cm 的位置上，h等於其最小值30cm。本實施例中，根據有限元計算(C0MS0L MULTIPHYSICS)，超聲場的不均勻性指數 NU1的理論值為0. 3，小於傳統的駐波型超聲反應器的NU1 ( = 0. 447)。在有限元計算中，利 用該軟體聲學模塊中的諧波分析功能(Harmonics Analyses, Acoustics Module)；聲場的 吸收係數為1. X10_5l/m ；超聲場被假定為線性場。這表明增加駐波反節面附近的聲場截面 積並同時減少駐波節面附近的聲場截面積能有效地提高超聲反應器聲處理的均勻性和聲 能的利用率。
權利要求
一種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體(1)、安裝於箱體第二壁面(7)的超聲換能器(10)，箱體上作為反射壁面的第一壁面(6)與超聲換能器(10)的聲輻射面(11)之間的距離是四分之一波長的奇數倍，箱體底面(5)為彎曲摺疊形或波浪形；上述箱體底面(5)的彎曲摺疊形或波浪形使得箱體底面和液面之間的距離隨離開聲輻射面的距離作周期性變化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置，箱體底面和液面之間的距離為最小值；其中距離聲輻射面(2m+1)c/(4f)的位置，箱體底面和液面之間的距離為最大值；其中m為大於等於0的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率。
2.根據權利要求1所述的變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於上述超聲換能器 (10)為浸入式平板超聲換能器，或具有平板輻射面的插入式朗之文超聲換能器。
3.一種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體(1)、安裝於箱體第二壁面(7)的超聲換能器(10)，箱體上 作為反射壁面的第一壁面(6)與超聲換能器(10)的聲輻射面(11)之間的距離是四分之一 波長的奇數倍，箱體底面(5)和箱體頂面(12)均為彎曲摺疊形或波浪形，被處理的液體充 滿超聲反應器箱體；上述箱體底面(5)和箱體頂面(12)的形狀使得箱體底面和頂面之間的距離隨離開聲 輻射面的距離作周期性變化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置，箱體底面和頂面之間的 距離為最小值；其中距離聲輻射面(2m+l)c/(4fr)的位置，箱體底面和液面之間的距離為 最大值；其中m為大於等於0的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率。
4.根據權利要求3所述的變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於上述超聲換能器 (10)為浸入式平板超聲換能器，或具有平板輻射面的插入式朗之文超聲換能器。
5.一種變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於包括盛放被處理液體的箱體(1)、安裝於箱體底面的超聲換能器(10)，箱體上作為反 射壁面的液面或頂面與超聲換能器(10)的聲輻射面(11)之間的距離是四分之一波長的奇 數倍，兩組相對壁面中至少一組相對壁面中的至少一個箱體壁面為彎曲摺疊形或波浪形；上述箱體壁面的彎曲摺疊形或波浪形使得該組相對壁面之間的距離隨離開聲輻射面 的距離作周期性變化；其中距離聲輻射面m c/(2f)的位置相對壁面之間的距離為最小值； 其中距離聲輻射面(2m+l)c/(4fr)的位置，相對壁面之間的距離為最大值；其中m為大於等 於0的自然數，c是被處理液體的聲速，f是超聲換能器的工作頻率。
6.根據權利要求5所述的變橫截面駐波超聲反應器，其特徵在於上述超聲換能器 (10)為浸入式平板超聲換能器，或具有平板輻射面的插入式朗之文超聲換能器。
全文摘要
本發明的變橫截面駐波超聲反應器，涉及一種利用超聲空化效應處理液體的裝置。它包括盛放被處理液體的箱體、至少一個超聲換能器(10)、以及超聲換能器驅動電路。上述箱體中駐波聲場的橫截面積隨橫截面位置做周期性變化，在聲壓幅值為零的位置上(聲壓節面)，聲場的橫截面為最小；在聲壓幅值為最大的位置上(聲壓反節面)，聲場的橫截面為最大；在相鄰的聲壓節面和反節面之間，聲場的橫截面線性或非線性地從最小過渡到最大。通過增加聲壓反節面附近的液體的體積並減少聲壓節面附近的液體的體積，來提高超聲反應器聲場能量的利用率。
文檔編號B01J19/10GK101829531SQ20101016215
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者胡俊輝, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學